KR100517954B1 - 위상배열안테나의 정밀 위상제어 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 위상배열안테나의 정밀 위상제어 방법에 관한 것으로, 위상배열안테나의 정밀 위상제어를 위해 많은 수의 제어비트를 할당하거나, 다단계로 제어하는 대신 적은 수의 위상제어비트를 갖는 위상변위기를 이용하여 각 위상변위기들의 위상을 적절히 제어함으로써 전력효율을 떨어뜨리고, 시스템의 복잡성을 주지않으며 위상배열안테나의 빔 조향각을 정밀제어 할 수 있는 위상배열안테나의 정밀 위상제어 방법과 상기 방법을 실현시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체를 제공하며, 소정의 빔 조향각을 입력받아 빔 조향이 가능한지 확인하는 제 1 단계; 상기 제 1 단계의 확인 결과, 상기 빔 조향이 가능하지 않음을 확인하고 빔을 소정의 갯수로 나누어 빔 방향을 계산하는 제 2 단계; 상기 소정의 갯수로 나누어진 빔 방향에 대하여 각 빔의 세기를 계산하는 제 3 단계; 상기 위상배열안테나의 전체 위상변위기를 상기 소정의 갯수로 나누어진 빔 방향에 대하여 소정의 갯수로 각각 할당하는 제 4 단계; 및 상기 위상배열안테나의 인접 방사소자 위상차를 계산하여 상기 제 4 단계에서 소정의 갯수로 할당된 위상변위기에 위상값을 입력하여 각 빔의 위상변위기를 각각 제어하는 제 5 단계를 포함하고, 안테나 시스템 등에 이용됨.

Description

위상배열안테나의 정밀 위상제어 방법{Method for Precision Phase Control of Phased Array Antenna}
본 발명은 디지털 위상변위기를 사용하는 위상배열안테나에서 송수신 안테나의 빔 조향각을 제어하기 위해 위상변위기(phase shifter)들 각각의 위상을 제어하는 위상배열안테나의 정밀 위상제어 방법과 상기 방법을 실현시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 관한 것이다.
기존의 위상배열안테나의 위상제어 방법은 빔의 조향각을 정밀제어하기 위해서 많은 제어 비트(bit)의 위상변위기가 필요하게 된다. 그러나, 위상변위기의 비트 수가 증가할수록 많은 제어 데이터를 필요로 하며, 안테나의 규모가 커질수록 제어 인터페이스는 더욱 복잡해지고 제작 및 조립이 어려워진다. 또한, 위상변위기의 비트 수가 많을수록 무선주파수(RF : Radio Frequency) 삽입손실이 커져 전력효율이 나빠지고 발열로 인한 열처리 문제가 대두하게 된다.
또다른 기존의 방법에서는 1차적으로 개략 빔제어를 하고 2차적으로 정밀제어하는 다단계 제어 방식이 있으며, 이 방식 또한 다단계 제어로 인한 삽입손실을 증가시키기 때문에 제어회로의 복잡성 및 전력효율을 떨어뜨리게 된다.
이들 기존 방식들은 특히 위성탑재용으로 사용될 경우에는 나쁜 전력효율로 인해 위성의 수명을 단축시킬 수도 있다.
또한, 적은 수의 제어비트를 갖는 위상변위기를 이용하여 빔의 지향 방향(이를, "조향각"이라 함)을 제어할 경우, 빔의 이동간격이 너무 크기 때문에 이동간격 사이에 위치하는 곳으로는 빔을 이동시킬 수 없는 문제점이 있었다.
즉, 종래 기술에서는 빔의 조향각을 정밀제어하기 위해 많은 수의 위상제어비트를 할당하거나, 다단계 제어 방식을 사용하였으나 이 방식들은 전력효율 저하 및 시스템 제작의 복잡성을 야기시키며, 적은 수의 위상제어비트를 사용하여 기존 방식에 따른 제어를 할 경우 빔 조향각의 정밀제어가 어려워지는 문제점이 있었다.
본 발명은, 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 위상배열안테나의 정밀 위상제어를 위해 많은 수의 제어비트를 할당하거나, 다단계로 제어하는 대신 적은 수의 위상제어비트를 갖는 위상변위기를 이용하여 각 위상변위기들의 위상을 적절히 제어함으로써 전력효율을 떨어뜨리고, 시스템의 복잡성을 주지않으며 위상배열안테나의 빔 조향각을 정밀제어 할 수 있는 위상배열안테나의 정밀 위상제어 방법과 상기 방법을 실현시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 방법은, 위상배열안테나의 정밀 위상제어 방법에 있어서, 소정의 빔 조향각을 입력받아 빔 조향이 가능한지 확인하는 제 1 단계; 상기 제 1 단계의 확인 결과, 상기 빔 조향이 가능하지 않음을 확인하고 빔을 소정의 갯수로 나누어 빔 방향을 계산하는 제 2 단계; 상기 소정의 갯수로 나누어진 빔 방향에 대하여 각 빔의 세기를 계산하는 제 3 단계; 상기 위상배열안테나의 전체 위상변위기를 상기 소정의 갯수로 나누어진 빔 방향에 대하여 소정의 갯수로 각각 할당하는 제 4 단계; 및 상기 위상배열안테나의 인접 방사소자 위상차를 계산하여 상기 제 4 단계에서 소정의 갯수로 할당된 위상변위기에 위상값을 입력하여 각 빔의 위상변위기를 각각 제어하는 제 5 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 방법은, 상기 제 1 단계의 확인 결과, 상기 빔 조향이 가능함을 확인하고 상기 위상배열안테나의 각 방사소자에 대한 위상지연값을 계산하는 제 6 단계; 및 상기 위상배열안테나의 인접 위상변위기에 소정의 위상차가 되도록 값을 입력하는 제 7 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
한편, 본 발명은, 정밀 위상제어를 위해, 대용량 프로세서를 구비한 위상배열안테나 시스템에, 소정의 빔 조향각을 입력받아 빔 조향이 가능한지 확인하는 제 1 기능; 상기 제 1 단계의 확인 결과, 상기 빔 조향이 가능하지 않음을 확인하고 빔을 소정의 갯수로 나누어 빔 방향을 계산하는 제 2 기능; 상기 소정의 갯수로 나누어진 빔 방향에 대하여 각 빔의 세기를 계산하는 제 3 기능; 상기 위상배열안테나의 전체 위상변위기를 상기 소정의 갯수로 나누어진 빔 방향에 대하여 소정의 갯수로 각각 할당하는 제 4 기능; 및 상기 위상배열안테나의 인접 방사소자 위상차를 계산하여 상기 제 4 기능에서 소정의 갯수로 할당된 위상변위기에 위상값을 입력하여 각 빔의 위상변위기를 각각 제어하는 제 5 기능을 실현시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체를 제공한다.
상술한 목적, 특징들 및 장점은 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해 질 것이다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 일실시예를 상세히 설명한다.
도 1 은 기존의 위상배열안테나의 빔 형성 방식을 나타낸 일실시예 설명도로서, 위상배열안테나 빔을 정밀제어하기 위한 두 빔의 방향설정 및 그 세기를 구하는 과정을 나타낸다.
이하, 위상배열안테나의 빔 형성 방식의 설명은 수신안테나의 경우로 가정한다.
도면에서, "110"은 빔(), "120"은 방사소자, "130"은 위상변위기, 그리고 "140"은 신호분배기(또는 합성기)를 각각 나타낸다.
먼저, 위상배열안테나의 방사소자(120)에 있어서, 두 방사소자(120)간의 간격을 "L", 빔 조향각을 방사소자(120)의 수직방향에 대해 (110)로 정의하면, 방사소자(1)과 방사소자(2)에 도달하는 수신 빔의 지연거리 "d"는 하기 [수학식 1]과 같이 표시된다.
방사소자(1)과 방사소자(2)에 도달하는 신호의 위상차이 ""는 하기 [수학식 2]와 같이 나타낸다.
여기서, λ는 신호의 파장이다.
그러므로, 상기 도 1에 도시된 바와 같이, 수신안테나의 수신 빔 방향을 (110)로 제어하기 위해서는 위상변위기(130)들 중, 위상변위기(1)을 기준으로 위상변위기(N)까지 위상이 각각 씩 지연되어야 한다.
한편, 신호분배기(또는 합성기)(140)는 송신될 RF 신호를 상기 위상변위기(130)로 분배하거나, 수신된 신호를 상기 위상변위기(130)로부터 전달받아 하나의 RF 신호로 합성한다.
도 2 는 본 발명에 따른 위상배열안테나의 빔 형성 방식을 나타낸 일실시예 설명도로서, 하나의 빔을 여러 개의 빔 그룹으로 나누는 것을 나타낸 것이다.
상기 도 1에서 위상변위기(130)의 해상도가 만족할 수준이 못될 경우에 하나의 빔을 여러 개의 빔 그룹으로 나누는 것이다.
먼저, 도 2에 도시된 바와 같이 를 중심으로하여 가장 근접한 좌우의 제어 가능한 조향각 , 를 찾는다. 즉, 위상변위기(240, 250)의 허용되는 해상도를 이용하여 가장 근접한 좌우의 제어 가능한 조향각 , 를 찾아 방향의 빔을 빔A(210), 방향의 빔을 빔B(211)로 각각 정의한다.
앞의 위상변위기의 위상값을 구하는 같은 원리를 이용하면, 도 2에서 방사소자(220, 230) 중, 인접한 두 방사소자에 도달하는 신호의 위상차이는 , 의 조향각에 대해 각각 , 로 정의할 때, 빔A(210)를 형성하기 위한 위상변위기(1)부터 위상변위기(k)(240)의 위상은 위상변위기(1)을 기준으로 각각 씩 지연되어야 하며, 빔B(211)의 경우, 위상변위기(k+1)부터 위상변위기(N)(250)의 위상이 위상변위기(k+1)을 기준으로 씩 지연되어야 한다.
한편, 신호분배기(또는 합성기)(260, 270, 280)는 송신될 RF 신호를 분배하거나, 수신된 신호를 전달받아 하나의 RF 신호로 합성한다.
도 3 은 기존의 위상배열안테나의 빔 지향 방향 및 세기를 나타낸 일실시예 설명도이다.
도 3은 상기 도 1에서 위상변위기(1)부터 위상변위기(N)(130)까지의 위상을 위상변위기(1)을 기준으로 각각 씩 지연할 경우 빔 방향이 로 향하는 것을 보여주고 있으며, 최종빔(301)의 벡터형태를 나타낸다.
도 4 는 본 발명에 따른 위상배열안테나의 빔 지향 방향 및 세기를 나타낸 일실시예 설명도이다.
도 4는 본 발명에서 제안한 방식으로, 상기 도 2의 빔 조향각이 가 되게 하기 위해 방향 빔A(402)와 방향 빔B(403)의 두 개의 빔을 설정하여 두 벡터의 합이 최종빔(401) 방향인 로 향하게한 것을 나타낸다.
도 5 는 기존의 위상배열안테나의 위상변위기 제어 과정을 나타낸 일실시예 흐름도이다.
먼저, 빔 조향각 를 입력받아(501), 각 방사모듈의 위상지연값을 계산한다(503).
다음으로 인접 위상변위기의 위상차가 가 되도록 의 값을 입력받으면(505) 빔의 조향각은 가 되어, 방향으로 빔을 출력하게 된다(507).
도 6 은 본 발명에 따른 위상배열안테나의 위상변위기 제어 과정을 나타낸 일실시예 흐름도이다.
빔 조향각 가 입력되면(601), 위상제어모듈은 빔 조향이 가능한지 확인한다(602).
상기 확인 결과, 빔 조향이 가능하면 빔을 여러 개로 분리하지않고 기존의 빔 제어 방식을 따른다. 여기서, 기존의 빔 제어 방식은, 각 방사모듈의 위상지연값을 계산하고(603), 인접 위상변위기의 위상차가 가 되도록 의 값을 입력받으면(604) 빔의 조향각은 가 되어, 방향으로 빔을 출력하게 된다(610).
상기 확인 결과(602), 기존의 빔제어 방식으로 빔 조향이 어려울 때는 빔을 빔A, 빔B로 나눠 각각의 빔 방향을 계산한 후(605), 각 빔의 세기를 계산한다(606). 이때, 두 빔의 벡터합()은 최종빔 방향()이 되어야 한다.
다음으로, 전체 위상변위기의 개수를 N이라고 할 때, 두 벡터의 크기 비율에 따라 빔A, 빔B의 위상변위기 갯수를 각각 Na, Nb개로 할당하고(607), 앞에서 기술한 방법에 따라 빔A 와 빔B에 대하여 인접소자 위상차인 , 를 계산한 후(608), 각 빔의 위상변위기를 각각 제어한다(609). 그 결과 빔의 조향각은 가 된다(610).
본 발명에 따른 위상배열안테나의 정밀 위상제어 방법은, 빔 각도 제어에 있어서 해상도가 낮은 적은 수의 위상제어비트를 갖는 위상변위기를 이용하여 빔 조향각을 정확한 로 제어하기 위해 상기 도 2에서와 같이 위상배열안테나의 방사그룹(220, 230)을 2개 이상의 그룹으로 나눈 후, 이들 그룹들의 빔 조향각이 상기 도 4에서와 같이 빔A(402), 빔B(403)의 각기 다른 방향으로 향하게 하고, 이들의 신호세기를 적절히 조절하면 최종 빔(401) 방향인 가 되는 것이다.
즉, 본 발명은 디지털 위상변위기를 사용하는 위상배열안테나에서 송수신 안테나의 빔 조향각을 제어하기 위하여 위상변위기(Phase Shifter)들의 각각의 위상을 제어하여, 적은 수의 위상제어비트를 갖는 위상변위기를 이용해 각각의 위상변위기들을 2개 이상의 그룹으로 나누어 각 빔 그룹들의 지향 방향을 서로 다르게 하고, 이들 벡터의 세기를 각각 적절히 조절하면 빔의 방향은 임의의 지점으로 정밀제어가 가능하게 된다.
상술한 바와 같은 본 발명의 방법은 프로그램으로 구현되어 컴퓨터로 읽을 수 있는 형태로 기록매체(씨디롬, 램, 롬, 플로피 디스크, 하드 디스크, 광자기 디스크 등)에 저장될 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.
상기한 바와 같은 본 발명은, 위상배열안테나의 정밀 위상제어를 위해 많은 수의 제어비트를 할당하거나, 다단계로 제어하는 대신 적은 수의 위상제어비트를 갖는 1단 배열의 위상변위기를 이용하여 빔 조향각을 정밀제어할 수 있으며 많은 수의 제어비트를 갖는 위상변위기를 사용하는 시스템에 비해 시스템이 단순해지고 추가적인 삽입손실을 필요로 하지 않기 때문에 상대적으로 전력효율을 높일 수 있는 효과가 있다.
도 1 은 기존의 위상배열안테나의 빔 형성 방식을 나타낸 일실시예 설명도.
도 2 는 본 발명에 따른 위상배열안테나의 빔 형성 방식을 나타낸 일실시예 설명도.
도 3 은 기존의 위상배열안테나의 빔 지향 방향 및 세기를 나타낸 일실시예 설명도.
도 4 는 본 발명에 따른 위상배열안테나의 빔 지향 방향 및 세기를 나타낸 일실시예 설명도.
도 5 는 기존의 위상배열안테나의 위상변위기 제어 과정을 나타낸 일실시예 흐름도.
도 6 은 본 발명에 따른 위상배열안테나의 위상변위기 제어 과정을 나타낸 일실시예 흐름도.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
210 : 빔() 211 : 빔()
220, 230 : 방사소자 240, 250 : 위상변위기
260, 270, 280 : 신호분배기(또는 합성기)

Claims (4)

  1. 위상배열안테나의 정밀 위상제어 방법에 있어서,
    소정의 빔 조향각을 입력받아 빔 조향이 가능한지 확인하는 제 1 단계;
    상기 제 1 단계의 확인 결과, 상기 빔 조향이 가능하지 않음을 확인하고 빔을 소정의 갯수로 나누어 빔 방향을 계산하는 제 2 단계;
    상기 소정의 갯수로 나누어진 빔 방향에 대하여 각 빔의 세기를 계산하는 제 3 단계;
    상기 위상배열안테나의 전체 위상변위기를 상기 소정의 갯수로 나누어진 빔 방향에 대하여 1단 배열의 소정의 갯수로 각각 할당하는 제 4 단계; 및
    상기 위상배열안테나의 인접 방사소자 위상차를 계산하여 상기 제 4 단계에서 소정의 갯수로 할당된 위상변위기에 위상값을 입력하여 각 빔의 위상변위기를 각각 제어하는 제 5 단계
    를 포함하는 정밀 위상제어 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 단계의 확인 결과, 상기 빔 조향이 가능함을 확인하고 상기 위상배열안테나의 각 방사소자에 대한 위상지연값을 계산하는 제 6 단계; 및
    상기 위상배열안테나의 인접 위상변위기에 소정의 위상차가 되도록 값을 입력하는 제 7 단계
    를 더 포함하는 정밀 위상제어 방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 제 3 단계의 소정의 갯수로 나누어진 빔 방향은,
    각 빔의 벡터합이 최종빔 방향이 되는 것을 특징으로 하는 정밀 위상제어 방법.
  4. 정밀 위상제어를 위해, 대용량 프로세서를 구비한 위상배열안테나 시스템에,
    소정의 빔 조향각을 입력받아 빔 조향이 가능한지 확인하는 제 1 기능;
    상기 제 1 단계의 확인 결과, 상기 빔 조향이 가능하지 않음을 확인하고 빔을 소정의 갯수로 나누어 빔 방향을 계산하는 제 2 기능;
    상기 소정의 갯수로 나누어진 빔 방향에 대하여 각 빔의 세기를 계산하는 제 3 기능;
    상기 위상배열안테나의 전체 위상변위기를 상기 소정의 갯수로 나누어진 빔 방향에 대하여 1단 배열의 소정의 갯수로 각각 할당하는 제 4 기능; 및
    상기 위상배열안테나의 인접 방사소자 위상차를 계산하여 상기 제 4 기능에서 소정의 갯수로 할당된 위상변위기에 위상값을 입력하여 각 빔의 위상변위기를 각각 제어하는 제 5 기능
    을 실현시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체.
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